Depozice mikro-a nanokrystalických diamantových vrstev metodou PECVD

Bc. Monika Karásková

Master's thesis

Deposition of micro- and nanocrystalline diamond films by PECVD

Anotácia:

Tato práce se zabývá depozicí krystalických diamantových vrstev na křemíkové substráty v mikrovlnném plazmovém reaktoru zvonovitého tvaru typu ASTeX ve směsi metanu s vodíkem. Cílem práce bylo připravit tvrdé, především nanokrystalické, diamantové vrstvy a studovat vliv koncentrace metanu a vliv předehřátí substrátu na vlastnosti vrstev. Vrstvy byly deponovány při tlaku 7,5kPa, teplotě substrátu 800 až 950C a mikrovlnném výkonu 900 až 950W. Koncentrace metanu v plynné směsi se pohybovala v rozmezí 2% až 9,4%. Pro nukleaci diamantové vrstvy na křemíkovém substrátu byla použita metoda využívající aktivaci substrátu pomocí energetických iontů urychlených stejnosměrným předpětím (metoda BEN). Na držák substrátu bylo proto přivedeno vysokofrekvenční napětí a díky vlastnostem kapacitně vázaného vysokofrekvenčního výboje se zde zároveň vytvořilo stejnosměrné samopředpětí. Vrstvy byly charakterizovány hloubkově rozlišenou vtiskovou technikou, rastrovacím elektronovým mikroskopem (SEM), mikroskopem atomárních sil (AFM), spektroskopickou elipsometrií a reflektometrií. Vrstvy s výbornými mechanickými vlastnostmi (tvrdost 70GPa, elastický modul 375GPa), které jsou tvořeny nanokrystalickým diamantem, vznikaly bez předehřátí substrátu při koncentraci metanu 9,4%. Tyto vrstvy mají index lomu a koeficient absorpce velice podobný diamantu a velmi malou drsnost (8-9nm). Nukleační mechanismus studovaný na vzorcích s různou dobou nukleace a depozice pomocí SEM velmi dobře odpovídal závěrům popsaným v literatuře.

Abstract:

The present diploma thesis deals with the deposition of crystalline diamond films on silicon substrates in microwave bell jar plasma reactor of ASTeX type in methane/hydrogen gas feed. The goal of the thesis was a preparation of hard nanocrystalline diamond films and studying an influence of a methane concentration and a substrate preheating on film properties. The deposition conditions were the pressure of 7.5kPa, substrate temperature from 800 to 950C and microwave power 900-950W. The methane concentration in gas feed was varied in the range 2-9.4%. An activation of the silicon substrate for growth of diamond films was performed by ions accelerated in dc electric field using the, so called, bias enhanced nucleation (BEN) method. Radio frequency (rf) voltage was applied to a substrate holder causing a dc self-biasing of the substrate due to the properties of rf capacitely coupled glow discharge. The films were characterized by depth sensing indentation technique, scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscope (AFM), spectroscopic ellipsometry and reflectometry. The films with very good mechanical properties (hardness of 70GPa and elastic modulus of 375GPa) consisting of nanocrytalline diamond were prepared without substrate preheating under the methane concentration of 9.4%. These films have refractive index and extinction coefficient similar to diamond and exhbit relatively low roughness (8-9nm). Nucleation mechanism studied on samples with different nucleation and deposition times with the help of SEM corresponded to conclusions described in the literature.

Kľúčové slová

nanocrystalline diamond, microwave plasma reactor, PECVD, BEN, depth sensing indentation technique, SEM, AFM, nanokrystalické diamanty, mikrovlnný plazmový reaktor, indentační technika

Jazyk práce: Czech

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 23. 5. 2007

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 6. 6. 2007
• Vedúci: doc. Mgr. Lenka Zajíčková, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / odbor:
Physics / Plasma Physics